hiệu ứng của giáo dục stem đến kết quả học tập của học sinh trung học tại thành phố hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ HỒNG CHUNG HIỆU ỨNG CỦA GIÁO DỤC STEM ĐẾN KẾT QUẢ HỌC TẬP CỦA HỌC SINH TRUNG HỌC TẠI THÀNH PHỐ HÀ NỘI Ngành: Lý luận và Phương pháp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ HỒNG CHUNG

HIỆU ỨNG CỦA GIÁO DỤC STEM ĐẾN KẾT QUẢ HỌC TẬP CỦA HỌC SINH TRUNG HỌC TẠI THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC

Hà Nội – 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ HỒNG CHUNG

HIỆU ỨNG CỦA GIÁO DỤC STEM ĐẾN KẾT QUẢ HỌC TẬP CỦA HỌC SINH TRUNG HỌC TẠI THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Ngành: Lý luận và Phương pháp dạy học

Mã số: 9140110

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguyễn Văn Hạnh

Hà Nội – 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Văn Hạnh

và sự tham gia đóng góp ý kiến của một số cộng sự khác trong nhóm nghiên cứu Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2023

Tác giả luận án

Lê Hồng Chung

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Văn Hạnh - Người Thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo để tôi có thể hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Đào tạo, tập thể Bộ môn Khoa học và Công nghệ Giáo dục - Viện Sư phạm Kỹ thuật của Đại học Bách khoa Hà Nội

đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể Sở Giáo dục và Đào tạo

Hà Nội đã luôn động viên, hỗ trợ để tôi hoàn thành nhiệm vụ được giao

Tôi xin trân trọng cảm ơn các chuyên gia đã dành thời gian đọc và góp ý luận án cho tôi

Xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình – người thân, vợ và các con luôn bên cạnh, thông cảm và ủng hộ tôi bằng tình yêu thương vô điều kiện

Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2023

Tác giả luận án

Lê Hồng Chung

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.1 Cơ sở pháp lý 1

1.2 Cơ sở lý luận 2

1.3 Cơ sở thực tiễn 4

2 Mục đích nghiên cứu 5

3 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 5

3.1 Khách thể nghiên cứu 5

3.2 Đối tượng nghiên cứu 5

3.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 5

4 Giả thuyết khoa học 6

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 6

6 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 6

6.1 Cách tiếp cận 6

6.2 Các phương pháp nghiên cứu 7

7 Những luận điểm cần bảo vệ trong luận án 8

8 Đóng góp mới của luận án 9

9 Cấu trúc của luận án 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG CỦA GIÁO DỤC STEM ĐẾN CÁC KẾT QUẢ HỌC TẬP CỦA HỌC SINH PHỔ THÔNG 10

1.1 Giới thiệu về vấn đề tổng quan 10

1.2 Khung lý thuyết về hiệu ứng của giáo dục STEM đến các kết quả học tập của học sinh 11

1.2.1 Lý do giáo dục STEM lại quan trọng cho học sinh 11

1.2.2 Khái niệm STEM và giáo dục STEM 13

1.2.3 Các cách tích hợp của giáo dục STEM 19

1.2.4 Các kết quả học tập chính của học sinh trong giáo dục STEM 22

1.2.5 Khái niệm về hiệu ứng của giáo dục STEM đến các kết quả học tập của học sinh 25

1.2.6 Các câu hỏi nghiên cứu tổng quan 25

1.3 Phương pháp tổng hợp dữ liệu về hiệu ứng của giáo dục STEM đến

các kết quả học tập của học sinh phổ thông 26

1.3.1 Nguồn thông tin và chiến lược tìm kiếm 27

1.3.2 Các giai đoạn của lựa chọn nghiên cứu 28

1.3.3 Trích xuất và tổng hợp dữ liệu 31

1.4 Kết quả trích xuất và tổng hợp dữ liệu về hiệu ứng của giáo dục STEM đến các kết quả học tập của học sinh phổ thông 32

1.4.1 Trích xuất dữ liệu 32

1.4.2 Tổng hợp các câu sinh thái về hiệu ứng của giáo dục STEM đến kết quả học tập của học sinh phổ thông 38

1.5 Hiệu ứng của giáo dục STEM đến các kết quả học tập của học sinh phổ thông 43

1.5.1 Hiệu ứng của giáo dục STEM dựa vào đồng bộ đến các kết quả học tập của học sinh phổ thông 43

1.5.2 Hiệu ứng của STEM dựa vào chủ đề đến các kết quả học tập của học sinh phổ thông 45

1.5.3 Hiệu ứng của giáo dục STEM dựa vào dự án đến các kết quả học tập học học sinh phổ thông 46

1.5.4 Hiệu ứng của giáo dục STEM dựa vào chương trình giảng dạy chéo đến các kết quả học tập của học sinh phổ thông 47

1.5.5 Hiệu ứng của giáo dục STEM dựa vào trường chuyên ngành đến các kết quả học tập của học sinh phổ thông 48

1.5.6 Hiệu ứng của giáo dục STEM tập trung vào cộng đồng đến các kết quả học tập của học sinh phổ thông 48

1.6 Tình hình cập nhật nghiên cứu về hiệu ứng của giáo dục STEM đến các kết quả học tập của học sinh phổ thông tại Việt Nam 49

1.7 Kết luận chương 1 56

CHƯƠNG 2: HIỆU ỨNG CỦA DẠY HỌC MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM DỰA VÀO MÔ HÌNH 5E KẾT HỢP VỚI LẬP LUẬN TOULMIN ĐẾN CÁC KẾT QUẢ HỌC TẬP CỦA HỌC SINH THCS 58

2.1 Đề xuất ý tưởng mới trong dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM cho học sinh THCS 58

2.2 Khung khái niệm liên quan 59

2.2.1 Giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E (5E-based STEM education) 59 2.2.2 Giáo dục STEM dựa vào lập luận Toulmin (Toulmin's argumentation-based STEM education) 61 2.2.3 Dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E kết hợp với lập luận Toulmin 62

2.3 Tại sao nên dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E kết hợp với lập luận Toulmin 63 2.4 Khung lý thuyết về hiệu ứng của dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E kết hợp với lập luận Toulmin đến các kết quả học tập của học sinh 65

2.4.1 Hiệu ứng của dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E đến các kết quả học tập của học sinh 65 2.4.2 Tiến trình dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E 67 2.4.3 Hiệu ứng của dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào lập luận Toulmin đến các kết quả học tập của học sinh 70 2.4.4 Tích hợp các môn học STEM vào mô hình lập luận Toulmin 71 2.4.5 Luận giải cho việc dạy học môn Khoa học tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E kết hợp với lập luận Toulmin 73

2.5 Tiến trình thiết kế dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E kết hợp với lập luận Toulmin cho học sinh THCS 76

2.5.1 Các nguyên tắc trong dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E kết hợp với lập luận Toulmin 76 2.5.2 Yêu cầu về cơ sở vật chất trong dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E kết hợp với lập luận Toulmin 79 2.5.3 Tiến trình thiết kế dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục STEM dựa vào mô hình 5E kết hợp với lập luận Toulmin 81

2.6 Bối cảnh thực tiễn cho phép thực hiện dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục A-5E-STEM cho sinh THCS tại Thành phố Hà Nội 86

2.6.1 Từ góc độ chính sách thúc đẩy giáo dục STEM 86

2.6.2 Từ góc độ chương trình môn Khoa học Tự nhiên 89

2.7 Kết luận chương 2 91

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 93

3.1 Mục đích, câu hỏi và giả thuyết nghiên cứu của thực nghiệm 93

3.1.1 Mục đích thực nghiệm 93

3.1.2 Các câu hỏi và giả quyết nghiên cứu của thực nghiệm 93

3.2 Thiết kế phương pháp thực nghiệm 95

3.2.1 Lựa chọn phương pháp thực nghiệm 95

3.2.2 Thiết kế bài học thực nghiệm: bài học “Tách chất ra khỏi hỗn hợp” trong môn Khoa học Tự nhiên lớp 6 96

3.2.3 Học sinh tham gia thực nghiệm 107

3.2.4 Cách tiến hành và thủ tục thực nghiệm 108

3.2.5 Công cụ thu thập dữ liệu 110

3.2.6 Kỹ thuật phân tích thống kê 116

3.3 Kết quả thực nghiệm 117

3.3.1 Trả lời Câu hỏi 1: Thành tích học tập của học sinh khác nhau như thế nào giữa dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục A-5E-STEM, 5E-STEM và phương pháp giáo khoa thông thường? 117

3.3.2 Trả lời Câu hỏi 2: Động lực học tập của học sinh khác nhau như thế nào giữa dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục A-5E-STEM, 5E-STEM và phương pháp giáo khoa thông thường? 119

3.3.3 Trả lời Câu hỏi 3: Sự quan tâm học tập của học sinh khác nhau như thế nào giữa dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục A-5E-STEM, 5E-STEM và phương pháp giáo khoa thông thường? 122

3.3.4 Trả lời Câu hỏi 4: Các kỹ năng tư duy bậc cao của học sinh khác nhau như thế nào giữa dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục A-5E-STEM, 5E-STEM và phương pháp giáo khoa thông thường? 125

3.4 Thảo luận kết quả thực nghiệm 128

3.4.1 Thảo luận về Câu hỏi 1: Thành tích học tập của học sinh khác nhau như thế nào giữa dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục A-5E-STEM, 5E-STEM và phương pháp giáo khoa thông thường? 129 3.4.2 Thảo luận về Câu hỏi 2: Động lực học tập của học sinh khác nhau như thế nào giữa dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo

dục A-5E-STEM, 5E-STEM và phương pháp giáo khoa thông thường?

130

3.4.3 Thảo luận về Câu hỏi 3: Sự quan tâm học tập của học sinh khác nhau như thế nào giữa dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục A-5E-STEM, 5E-STEM và phương pháp giáo khoa thông thường? 131

3.4.4 Thảo luận về Câu hỏi 4: Các kỹ năng tư duy bậc cao của học sinh khác nhau như thế nào giữa dạy học môn Khoa học Tự nhiên theo định hướng giáo dục A-5E-STEM, 5E-STEM và phương pháp giáo khoa thông thường? 132

3.5 Kết luận chương 3 133

3.5.1 Kết luận thực nghiệm 133

3.5.2 Ý nghĩa thực tiễn cho dạy học môn Khoa học Tự nhiên 134

3.5.3 Hạn chế của nghiên cứu thực nghiệm và khuyến nghị các nghiên cứu tiếp theo 134

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 136

1 Kết luận 136

2 Khuyến nghị 138

2.1 Đối với Sở Giáo dục và Đào tạo 138

2.2 Đối với trường trung học cơ sở 138

3.3 Đối với giáo viên bộ môn Khoa học Tự nhiên 138

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 139

TÀI LIỆU KHẢM KHẢO 140

Phụ lục 1: Phiên bản tiếng Anh tóm tắt về “trích xuất dữ liệu của các câu sinh thái” trong Bảng 1.3 1

Phụ lục 2: Giáo án lớp đối chứng 6

Phụ lục 3: Thang đo thành tích học tập 12

Phụ lục 4: Thang đo động lực học tập 13

Phụ lục 5: Thang đo sự quan tâm học tập 14

Phụ lục 6: Thang đo các kỹ năng tư duy bậc cao 15

Phụ lục 7: Bài kiểm tra trước thực nghiệm 16

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ, SƠ ĐỒ

Hình 1.1 Quá trình lựa chọn tài liệu 27

Hình 1.2 Phân loại các nghiên cứu theo cách tiếp tích hợp STEM 37

Hình 2.1 Mô tả tiến trình bài học STEM dựa vào mô hình 5E 68

Hình 2.2 Mô hình lập luận Toulmin trong giáo dục STEM [62] 71

Hình 2.3 Sự kết hợp giữa mô hình giảng dạy 5E và lập luận Toulmin trong bài học STEM 74

Hình 2.4 Phòng học STEM trong nội dung hóa học tại Trường THCS Lê Ngọc Hân, Quận Hai Bà Trưng, Thành phố Hà Nội 79

Hình 2.5 Tiến trình thiết kế dạy học môn Khoa học tự nhiên theo định hướng giáo dục A-5E-STEM 82

Hình 3.1: Một số hình ảnh thực nghiệm 110

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các từ khóa và chiến lược tìm kiếm thông tin 28

Bảng 1.2 Phiếu đánh giá chất lượng các nghiên cứu của Margot và Kettler (2019) ([59], tr 6/16) 30

Bảng 1.3 Ma trận trích xuất dữ liệu của các câu sinh thái 32

Bảng 1.4 Tổng hợp các câu sinh thái 39

Bảng 1.5 Các tài liệu tiếng Việt về hiệu ứng của STEM đến kết quả học tập của học sinh phổ thông 52

Bảng 3.1 Mục tiêu và tóm tắt nội dung bài học “Tách chất ra khỏi hỗn hợp” trong môn Khoa học tự nhiên lớp 6 97

Bảng 3.2 Biên soạn nội dung bài học STEM cho bài học “Tách chất ra khỏi hỗn hợp” môn Khoa học Tự nhiên lớp 6 101

Bảng 3.3 Giáo án cho bài học STEM “Tách hỗn hợp muối và cát: Em có thể làm điều đó không?” 106

Bảng 3.4: Các kết quả ANOVA cho điểm số trước thực nghiệm 108

Bảng 3.5 Độ tin cậy của thang đo động lực học tập 112

Bảng 3.6 Độ tin cậy của thang đo sự quan tâm học tập 114

Bảng 3.7 Độ tin cậy của thang đo các kỹ năng tư duy bậc cao 115

Bảng 3.8: Các kết quả ANOVA cho thành tích học tập 117

Bảng 3.9: Các kết quả ANOVA Post-Hoc cho thành tích học tập 118

Bảng 3.10: Các kết quả ANOVA cho động lực học tập 119

Bảng 3.11: Các kết quả ANOVA Post-Hoc cho động lực học tập 120

Bảng 3.12: Các kết quả ANOVA cho sự quan tâm học tập 123

Bảng 3.13: Các kết quả ANOVA Post-Hoc cho sự quan tâm học tập 124

Bảng 3.14: Các kết quả ANOVA cho các kỹ năng tư duy bậc cao 126

Bảng 3.15: Các kết quả ANOVA Post-Hoc cho các kỹ năng tư duy bậc cao 127

DANH MỤC VIẾT TẮT

STEM: Science, Technology, Engineering và Mathematics

SPSS: Phần mềm phân tích thống kê

THCS: Trung học cơ sở

THPT: Trung học phổ thông

5E-STEM: 5E-based STEM

A-5E-STEM: Argumentation-Supported 5E-STEM

Học sinh K-12: Học sinh phổ thông (từ giáo dục tiểu học đến THPT)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Một nền kinh tế phát triển thịnh vượng trong thế kỉ 21 sẽ dựa trên nền tảng của Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán (dẫn theo [1]) Giáo dục

STEM (STEM – một thuật ngữ viết tắt về Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kỹ thuật) và Mathematics (Toán học)) được ra

đời với mục tiêu cải thiện cách học sinh hiểu biết và ứng dụng khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán bằng việc tích hợp liên ngành và kết nối lớp học với thế giới xung quanh Do đó, giáo dục STEM có thể mang đến lợi ích giúp trẻ được trang bị một nền tảng vững chắc cho sự thành công trong thời đại thông tin, các lĩnh vực học tập sau phổ thông và môi trường làm việc về STEM trong tương lai

Mặc dù các tư tưởng về giáo dục STEM đã xuất hiện từ rất sớm [2], nhưng sáng kiến giáo dục STEM chỉ được tuyên bố chính thức bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF) năm 2001 với mục tiêu xác lập vững chắc vị thế của Hoa Kỳ - quốc gia đứng đầu thế giới về kinh tế, khoa học và công nghệ bằng việc cải thiện nguồn nhân lực [1] Trong một môi trường cạnh tranh trên toàn cầu ngày càng tăng cao, các thế hệ trẻ cần được chuẩn bị đầy

đủ nền tảng kiến thức và kỹ năng cần thiết để giúp họ thành công để trở thành lực lượng lao động chất lượng cao trong tương lai Giáo dục STEM chính là một trong những phát kiến mang tính đột phá trong lĩnh vực giáo dục thế kỷ

21 để hoàn thành mục tiêu này Ngày nay, giáo dục STEM trở thành một trong những chiến lược quan trọng khi giải quyết các chính sách giáo dục và thiết kế chương trình giáo dục phổ thông ở nhiều quốc gia trên thế giới

1.1 Cơ sở pháp lý

Tại Việt Nam, Nghị Quyết số 29-NQ/TW, ngày 14/11/2013, Hội nghị Trung ương 8 khóa XI về “Đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo”

đã đã đặt ra yêu cầu đối với giáo dục phổ thông là nâng cao chất lượng giáo

dục toàn diện, năng lực và kỹ năng thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tiễn, phát triển khả năng sáng tạo và giúp người học có khả năng giải quyết các vấn đề trong cuộc sống [3] Với tinh thần học thông qua thực “làm” và khả năng tích hợp các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học trong việc giải quyết vấn đề thực tế, giáo dục STEM đã trở thành một chủ trương lớn của ngành giáo dục nhằm góp phần hiện thực hóa quan điểm chỉ đạo của Nghị quyết 29 Thay vì dạy bốn lĩnh vực riêng biệt và rời rạc, giáo dục STEM tích hợp chúng vào một mô hình học tập gắn kết với nhau dựa trên các ứng dụng trong thế giới thực Sự phân biệt giữa STEM với giáo dục truyền thống là ở chỗ nó tạo ra môi trường học tập tích hợp và cho học sinh thấy được các phương pháp khoa học và toán học có thể được áp dụng vào cuộc sống hàng ngày như thế nào Từ đó, giáo dục STEM giúp học sinh phát triển các kiến thức của bốn lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán theo cách tiếp cận liên ngành và ứng dụng

Tháng 5 năm 2017, Thủ tướng Chính phủ kí Chỉ thị số 16/CT-TTg nêu

rõ giải pháp: “Thay đổi mạnh mẽ các chính sách, nội dung, phương pháp giáo dục và dạy nghề nhằm tạo ra nguồn nhân lực có khả năng tiếp cận các

xu thế công nghệ sản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tạo

về khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học (STEM) trong chương trình giáo dục phổ thông” Trong Chương trình Giáo dục Phổ thông 2018, thuật ngữ “STEM” được lặp lại năm lần để nhấn mạnh việc thực hiện giáo dục STEM thông qua các môn Toán học, Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học Do vậy, giáo dục STEM được thừa nhận như là một cơ sở quan trọng cho chính sách và thiết kế chương trình giáo dục trong giáo dục phổ thông

1.2 Cơ sở lý luận

Giáo dục STEM ngày càng được công nhận trên toàn cầu là nền tảng cho sự phát triển và năng suất quốc gia, khả năng cạnh tranh kinh tế và thịnh vượng xã hội [4], [5] Kiến thức và kỹ năng STEM là chìa khóa để nâng cao chất lượng của lực lượng lao động STEM [5] Vì vậy, phát triển năng lực trong các môn học STEM là mục tiêu trọng tâm của hệ thống giáo dục khi